一種基于超薄氧化鎂高k介電層薄膜晶體管的制備方法
【技術領域】
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[0001]本發(fā)明屬于半導體薄膜晶體管制備技術領域，涉及一種基于超薄氧化鎂高k介電層薄膜晶體管的制備方法，特別是一種基于低成本溶膠-凝膠技術以超薄氧化鎂(MgO)為高介電常數(shù)(k)介電層，以氧化銦(Ιη203)為半導體溝道層的薄膜晶體管的制備方法。
【背景技術】
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[0002]20世紀計算機網(wǎng)絡技術以及平板顯示技術的出現(xiàn)，把人類帶入了信息社會，人類社會從此發(fā)生了質(zhì)的飛躍?？v觀信息時代迅猛發(fā)展的各項技術，在這些技術中，無論計算機網(wǎng)絡與軟件，還是通信技術和其他電子技術，如果沒有以TFT-LCD為代表的平板顯示技術作為人機交互的界面，就構不成現(xiàn)在的信息社會，而平板顯示的核心元件就是薄膜晶體管TFT(Thin Film Transistor)。薄膜晶體管(Thin Film Transistor，TFT)在有源矩陣驅動液晶顯示器件(Active Matrix Liquid Crystal Display，AMIXD)中發(fā)揮了重要作用，從低溫非晶硅TFT到高溫多晶硅TFT，技術越來越成熟，應用對象也從只能驅動LCD(Liquid CrystalDisplay)發(fā)展到既可以驅動LCD又可以驅動0LED(0rganic Light Emitting Display)、甚至電子紙。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，作為硅基集成電路核心器件的TFT的特征尺寸一直不斷減小，其減小規(guī)律遵循摩爾定律，這種縮減的結果不僅可以增加器件密度，降低單位成本，更重要的是其每次開關操作所消耗的功率也隨之減少(IBMJournal of Research andDevelopment, 43 245，1999)。當超大規(guī)模集成電路的特征尺寸小于0.Ιμπι時，二氧化娃(Si02)介電層的厚度必須小于1.5nm，因此很難控制Si02薄膜的針孔密度，從而導致較大的漏電流，研究表明Si 02厚度由3.5nm減至1.5nm時柵極漏電流由10—12A/cm2增大到10A/cm2(IEEE Electron Device Letters, 18 209，1997)。較大的漏電流會引起高功耗及相應的散熱問題，這對于器件集成度、可靠性和壽命都造成不利的影響。目前，在集成電路工藝中廣泛采用高介電常數(shù)(高k)柵介電來增大電容密度和減少柵極漏電流，高k材料因其大的介電常數(shù)，在與Si02具有相同等效柵氧化層厚度(EOT)的情況下，其實際厚度比Si02大的多，從而解決了Si02因接近物理厚度極限而產(chǎn)生的量子遂穿效應(Journal of Applied Physics,89 5243,2001)。因此制備新型、高性能高k材料替代Si02成為實現(xiàn)大規(guī)模集成電路的首要任務。
[0003]由于TFT器件是薄膜型結構，其柵介電層的介電常數(shù)、致密性和厚度對晶體管的電學性能有重要的影響。目前成為研究熱點的高k介電材料包括AT0(Advanced Materials,242945,2012) nAI203(Nature,489 128,2012)νΖγ02(Advanced Materials ,23 971,2011)、Hf02(Journal of Materials Chemistry,22 17415,2012)、Mg0(ECS Journal of SolidState Science and Technology ,2 287,2013)和Y203(Applied Physics Letters ,98123503,2011)等。在眾多高k介電材料中，MgO憑借其較大的介電常數(shù)(?9.8)、較寬的帶隙(7.3eV)、較大的導帶補償?shù)忍攸c成為動態(tài)隨機存儲器的首要選擇。迄今為止，MgO薄膜的制備均采用真空制備技術，例如分子束外延、化學氣相沉積、電子束蒸發(fā)、磁控濺射等。這類高真空技術需要依托昂貴的設備且難以實現(xiàn)大面積成膜，制約了低成本電子器件的生產(chǎn)。考慮到將來電子器件發(fā)展的新方向一印刷電子器件，利用化學溶液技術制備薄膜將是一個更好的選擇，化學溶液技術在超細粉末、薄膜涂層、纖維等材料的制備工藝中受到廣泛應用，它具有其獨特的優(yōu)點:其反應中各組分的混合在分子間進行，因而產(chǎn)物的粒徑小、均勻性高;反應過程易于控制，可得到一些用其他方法難以得到的產(chǎn)物，另外反應在低溫下進行，避免了高溫雜相的出現(xiàn)，使得產(chǎn)物的純度，并且為以后在塑料上制備器件提供有力的條件，能夠使柔性材料變?yōu)橐环N可能。目前還未發(fā)現(xiàn)有基于溶液法制備氧化鎂(MgO)高k介電薄膜及其電子器件的相關報道。在有機前驅體溶液中，金屬硝酸鹽和有機溶劑(DMF)作為反應源，經(jīng)過熱退火的過程形成氧化物薄膜。采用溶液法替代傳統(tǒng)的真空制備技術，不僅提高了薄膜質(zhì)量，也降低了實驗成本。此外，利用溶液技術制備可靠性高、重復性好、低溫分解的半導體薄膜正成為工業(yè)界和科研界正在深入研究的技術領域。
[0004]目前，采用氧化銦(Ιη203)、氧化物銦鋅氧(ΙΖ0)和銦鎵鋅氧(IGZ0)材料作為薄膜晶體管溝道層的制備和應用技術已有公開文獻，美、日、韓等國做了大量研究。Im03憑借其高迀移率、非晶態(tài)、高透過率(可見光>80%)成為半導體溝道層材料的有力候選者?；贛gO高k介電層的TFT器件更是無人涉足。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的缺點，尋求設計和提供一種基于超薄氧化鎂高k介電層薄膜晶體管的制備方法，選用低阻硅作為基底和柵電極，分別采用溶膠-凝膠法、UV光處理和熱退火相結合的方式制備超薄MgO(?10nm)柵介電層和高透過率、化學穩(wěn)定性良好的的Ιη203半導體溝道層，從而制備高性能、低能耗的TFT器件。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明具體包括以下工藝步驟:
[0007](1)、前驅體溶液的制備:將硝酸鎂Mg(N03)2.6H20溶于二甲基甲酰胺(DMF)中，在常溫下磁力攪拌2-5小時形成澄清透明、濃度為0.01-0.5mol/L的MgO前驅體溶液;將硝酸銦In(N03)3溶于乙二醇甲醚，在室溫下攪拌5-24小時形成澄清透明的濃度為0.1-0.5mol/L的Ιη203前驅體溶液；
[0008](2)、Mg0薄膜樣品的制備:采用等離子體清洗方法清洗低阻硅襯底表面，在清洗后的低阻硅襯底上采用常規(guī)的旋涂技術旋涂步驟(1)配制的MgO前驅體溶液，先在5000轉/分下勻膠15-20秒，將旋涂后的低阻硅襯底放到烤膠臺上在150°C溫度下進行烘焙得到固化后的實驗樣品；然后將固化后的實驗樣品UV光處理40?60min后在300-600°C溫度下退火1-3小時，實現(xiàn)去除有機物及金屬氧化物致密化的過程，得到MgO薄膜樣品；
[0009](3)、In203溝道層的制備:在步驟(2)得到的MgO薄膜樣品表面利用旋涂技術旋涂步驟(1)制備的Ιη203前驅體溶液，先在400-600轉/分下勻膠4_8秒，再在2000-5000轉/分下勻膠15-30秒，旋涂次數(shù)為1-3次，每次旋涂厚度為5-10nm;將旋涂后的MgO薄膜樣品放到120-150°C烤膠臺進行固化處理后放入馬弗爐中進行200-300°C低溫退火處理1-5小時，即制備得到Ιη203溝道層；
[0010](4)、源、漏電極的制備:利用常規(guī)的真空熱蒸發(fā)法和不銹鋼掩膜板在Ιη203溝道層上面制備金屬源、漏電極，得到基于超薄MgO高k介電層的Ιη203薄膜晶體管。
[0011]本發(fā)明的步驟(2)中涉及的等離子體清洗法采用氧氣或氬氣作為清洗氣體，其工作功率為20-60Watt，清洗時間為20-200s，工作氣體的通入量為20-50SCCM;
[0012]本發(fā)明步驟(4)制備的薄膜晶體管的電極溝道長寬比為1:4-20，熱蒸發(fā)電流為30-50A;制得的源、漏電極為金屬Al、Ti或Ni電極，電極厚度為50-200nm。
[0013]